Одним из самых больших и сложных вопросов современной астрономии является вопрос о том, как родилась Вселенная, и то, как она стала такой, какой мы ее знаем сегодня. Много чего ученые в этом плане просто не знают. Но общее представление о том, как родились энергия и материя, звезды и галактики, у них есть.
Вопросы происхождения Вселенной
Читатели часто задают нам вопросы, связанные с происхождением Вселенной и объектов в ней.
Как все начиналось (я о Вселенной), почему и кто (если они есть, те, кто)? —
спрашивает Людмила Круглик
Почему возникли галактики, если взрыв был равномерным расширением пространства? —
интересуется Олег Гаврилюк
На самом деле, ответы на этот вопрос — части одного большого рассказа о том, каким ученые видят первые секунды, минуты, годы и миллионы лет существования всего, что мы видим сейчас. Еще относительно недавно, по историческим меркам, эта тема была чисто религиозной. Даже зная, что то, что говорится, например, в Библии, о создании всего сущего, не соответствует наблюдениям, ученые не спешили строить собственные теории.
В первой половине XX века среди физиков и астрономов живо обсуждалась тема того, что никакого «сначала» на самом деле не было. Вселенная существовала всегда. И это предположение до сих пор окончательно не опровергнуто, хотя и стало маргинальной теорией.
Вместо этого наука рисует совсем другую картину рождения и ранней эволюции Вселенной. С ней мы и хотим вас познакомить.
Космологическая сингулярность
Согласно наиболее признанной на сегодня теорией, в самом начале вся материя и энергия нашей Вселенной, все ее время и пространство были вдавлены в крайне небольшой объем. Мы это знаем из наблюдений за удаленными галактиками, которые «разбегаются» во все стороны, и чем дальше находятся, тем быстрее двигаются.
При этом это не значит, что мы находимся в центре Вселенной, на самом деле Млечный Путь, с точки зрения кого-то, кто видит его с расстояния в несколько миллиардов световых лет, тоже куда-то «убегает». Анализ скоростей галактик однозначно указывает на то, что когда-то все существующее было собрано в одну точку, и этот момент мы и называем рождением Вселенной. С тем, что все более-менее так и было, согласны почти все серьезные исследователи.
А вот на вопрос, что было до этого, физики честно отвечают «не знаю». На временном расстоянии менее 10-43 с после возникновения Вселенной не работает. И предугадать события в этом промежутке времени не может не только Ньютоновская теория, но и теория относительности и квантовая механика. А в момент, когда время Вселенной равнялось нулю, уравнения вообще теряют смысл. Это так называемая космологическая сингулярность. Мы не можем узнать, что там происходило какое-то время и была ли какая-нибудь причина для возникновения Вселенной. Вполне возможно, что понятие «причина» в тот момент не имело смысла.
Поэтому ученые не очень переживают, что не могут ответить на этот вопрос. Им хватает загадок в последующих эпохах, которые наша физика хотя бы может описать.
Планковская эпоха
Период истории Вселенной до времени 10-43 с называют Планковской эпохой. Вселенная в это время имела диаметр 10-35 м, плотность 1097 кг/м³ и температуру 1032 К. Это — максимальные значения этих величин, которым позволяет существовать физика. О том, что происходило в этом крохотном объеме, в настоящее время наука тоже не может сказать наверняка.
Точно можно утверждать, что материи и энергии как чего-то отдельного друг от друга там не было. Не было ни атомов, ни протонов с нейтронами и даже четыре фундаментальных взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое — были слиты в одну единую силу.
При этом надо понимать, сколь коротким был этот период. 10-43 с — это время на 43 порядка меньше секунды. Для сравнения, сама секунда меньше времени существования Вселенной всего на 18 порядков. То есть речь идет о чем-то невероятно коротком, недоступном даже нашим измерительным устройствам, не говоря уже об органах восприятия.
Эпоха великого объединения и инфляция
Сразу за Планковской наступила Эпоха большого объединения. Началась она с того, что гравитация отделилась от трех других взаимодействий. До сих пор однородная Вселенная перестала быть таковой и достаточно быстро расширялась. Элементарные частицы все еще не образовались, понятия «масса» и «заряд» не имели смысла.
Эпоха великого объединения также продолжалась невероятно крохотный отрезок времени. Она закончилась, когда возраст Вселенной составлял в 10-36 с, плотность ее равнялась 1074 г/см³, а температура — 1027 K. То есть за это крошечное время плотность вещества снизилась на 23 порядка, хотя все еще оставалась гораздо выше, чем внутри атомного ядра.
Эпоха великого объединения завершилась тем, что в виде чего-то отдельного выделилось сильное взаимодействие. Это та же сила, которая заставляет субатомные частицы образовывать протоны и нейтроны.
В это время со Вселенной происходит удивительная вещь. В промежутке между 10-36 и 10-32 секундами после рождения ее размер увеличился на 26 порядков. Это означает, что она выросла от размеров меньше протона до примерно 10 см.
Это называется Эпохой инфляции, и ученые выдвигают разнообразные гипотезы относительно нее. Считается, что в это время по Вселенной катились гравитационные волны, которые усилили ее неоднородность и, возможно, повлекли за собой появление того, что сейчас называется темной материей. Что это такое, ученые до сих пор выдвигают противоречивые теории. Например, некоторые утверждают, что это первичные черные дыры, которые и образовались в результате вышеупомянутых колебаний.
Одновременно во Вселенной возник вакуум в том виде, который мы знаем, а все вещество находилось в виде кварк-глюонной плазмы. Никаких протонов, а тем более атомов все еще не существовало. Температура для них оставалась слишком высокой — 1022 К.
Рождение материи
За инфляцией в истории Вселенной следует Электрослабая эпоха. Длилась она до того времени, когда возраст всего сущего достиг 10-12 с. Вещество все еще продолжало существовать в виде кварк-глюонной плазмы. Однако это уже были условия, которые мы можем не только представить себе, но и достичь. Они соответствуют наибольшим значениям энергии, полученным в Большом адронном коллайдере.
За время, пока длилась Электрослабая эпоха, Вселенная успела достигнуть диаметра 0,6 а.е., то есть чуть больше диаметра орбиты Венеры.
За Электрослабой последовала Кварковая эпоха. Она продолжалась между 10-12 и 10-5 с. За это время Вселенная успела «остыть» до триллиона кельвинов, что все еще было слишком горячо для существования протонов и нейтронов. Однако слабое взаимодействие наконец отделилось от электромагнитного и законы физики окончательно приобрели современный вид.
В возрасте примерно 10-5 секунды Вселенная охладилась до температур, наблюдаемых в ядрах звезд, и наступила Адронная эра. Образовались протоны и нейтроны, а также их античастицы. Если бы на этой стадии количество вещества и антивещества оказалось одинаковым, материя в дальнейшем не смогла бы существовать. Однако привычного нам вещества оказалось немного больше.
Вселенная в это время достигла размера примерно 1 светового года. В течение следующих 10 секунд родились нейтрино, которые ученые и сейчас могут видеть в виде фона этих частиц, а также лептоны (например, электроны) и фотоны.
Когда Вселенной исполнилось 10 секунд, температура в ней снизилась настолько, что наконец-то начали рождаться первые атомы. Этот процесс длился примерно до 1000 секунд и за это время успела образоваться вся та масса, которую мы видим в виде звезд, планет и туманностей. Правда, в то время все эти объекты все еще не существовали.
Примерно четверть всех образовавшихся атомов была гелием, еще 5 процентов приходилось на дейтерий и совсем мало — на литий и бериллий. Остальные же были обычным водородом. Атомов углерода и железа тогда еще не было.
Темные века и рождение галактик
Начиная с 10 с начинается первый действительно длительный период в истории Вселенной — Эпоха рекомбинации. Вселенная наполнена горячей плазмой — «супом» из атомных ядер. Они рождают большое количество фотонов, которые мы сейчас видим как реликтовое излучение.
Все это время Вселенная продолжает расширяться со скоростью, превышающей световую, но при этом постепенно уменьшающуюся.
До того как возраст Вселенной достиг 370 тыс. лет, он успел вырасти до 42–46 млн световых лет. Для сравнения, Млечный Путь имеет диаметр примерно 100 тыс. световых лет, и даже соседняя Туманность Андромеды находится всего в 2,2 млн световых лет от нас. Однако все равно Вселенная в это время была примерно в 1000 раз меньше, чем сейчас.
В конце Эпохи рекомбинации температура плазмы во Вселенной снизилась с нескольких миллионов кельвинов до примерно 4000, что меньше, чем на поверхности Солнца.
Равномерно вещество утратило способность излучать фотоны и наступила новая эпоха, известная как Темные века. В это время в космосе уже существовали большие неоднородности материи, однако ни одной звезды все еще не было. Вселенная заполняла нейтральный водород, который излучал только радиоволны на длине 21 см. Никогда ни до того, ни после космос не был таким темным.
Темные века длились гораздо дольше Эпохи рекомбинации. Традиционно их конец относят ко времени, когда с момента Большого взрыва прошло 380 млн лет. За это время он успел вырасти до размера в 20 раз меньше нынешнего.
Однако, когда на самом деле закончились космические Темные века, ученые точно не знают. На протяжении всего этого времени в заполнявших Вселенную газовых облаках нарастали неоднородности. Наконец, некоторые из них превратились в первые звезды, и их свет реионизировал водород, сделав Вселенную снова прозрачной.
Когда именно это произошло, сказать трудно. Последние исследования показывают, что существуют галактики, образовавшиеся задолго до 370 млн лет. Мы видим их такими, какими они были, когда Вселенной исполнилось всего 200–250 млн лет. Что касается отдельных звезд, то они могли появиться еще когда со времени Большого взрыва прошло только 150 млн лет.
Как бы то ни было, а Эпоха реионизации длилась до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд лет. Все это время шло формирование первых галактик и сверхмассивных черных дыр в их центрах. Ученые уверены, что эти два процесса тесно связаны и что для их начала Вселенная в конце Темных веков уже была достаточно неоднородной.
А вот относительно того, как именно это происходило, пока вопросов больше, чем ответов. Дело в том, что и галактики, и черные дыры в них, по данным космического телескопа James Webb, слишком велики по сравнению с тем, что предполагают мейнстримные теории. Однако карликовых галактик, которые должны были образоваться первыми и затем путем слияния образовать звездные системы, подобные Млечному Пути, James Webb обнаружил очень мало.
Альтернативная теория предлагает другой путь, при котором галактики сразу рождаются как гигантские диски материи, которая затем разбивается на отдельные звезды. А еще есть предположение, что первыми образуются именно черные дыры. При этом вполне возможно, что они рождались сразу путем преобразования огромных облаков газа в звезде с массой в 1000 раз больше солнечной. Они мгновенно коллапсировали, рождая монстров, которые начинали быстро расти.
Как бы там ни было, а именно в этот момент Вселенная стала такой, какой мы ее знаем сейчас. Первое поколение звезд быстро проеволюционировало и взорвалось как сверхновые. Они породили углерод, железо и другие элементы, из которых впоследствии образовались планеты. Но это уже совсем другая история.
